工程教育背景下信號與系統(tǒng)課程教學(xué)改革探索與實踐

王俠　李逶

摘? 要 分析傳統(tǒng)教學(xué)模式下信號與系統(tǒng)課程教學(xué)存在的問題，提出在工程教育認(rèn)證背景下的課程教學(xué)改革措施。在改革過程中精選教學(xué)內(nèi)容、引入雨課堂新技術(shù)，并采用“CDIO國際工程教育”和“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念來改革教學(xué)方法，同時將形成性評價和終結(jié)性評價相結(jié)合，從而建立符合認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)模式和課程考核評價體系。實踐表明，課程教學(xué)改革取得較好的效果。

關(guān)鍵詞 工程教育;信號與系統(tǒng);雨課堂;教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）16-0088-03

Exploration and Practice of Teaching Reform of Signal and Sys-tem Course under Background of Engineering Education//WANGXia， LI Wei

Abstract This paper analyzes the problems existing in the teaching of signal and system course under the traditional teaching mode， and?proposes the teaching reform measures under the background of engi-neering education certification. In the process of reform， the teaching content is subtly selected， the new technology of rain classroom is introduced to the class， and the teaching method is reformed with the teaching concept of “CDIO international engineering education” and “student-centered”. At the same time， the formative evaluation and the summative evaluation are combined. Thus， the teaching modeand the course evaluation system conforming to the certification stan-dard is established. The practice shows that the teaching reform of the course has achieved good performance.

Key words engineering education; signal and system; rain classroom;teaching reform

1 前言

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，也是實現(xiàn)工程教育國際互認(rèn)和工程師資格國際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)。2016年6月，我國成為國際本科工程學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》的第18個正式會員，這標(biāo)志著我國工程教育邁上新的發(fā)展臺階，我國的工程教育專業(yè)認(rèn)證工作正式踏入國際互認(rèn)的平臺[1]。按照我國工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（2015版）要求，專業(yè)必須有明確的畢業(yè)要求，課程體系應(yīng)能支撐畢業(yè)要求的達(dá)成，其中規(guī)定了12條畢業(yè)基本要求，涉及分析和解決問題能力、研究能力、評價能力、溝通能力、項目管理能力、不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展能力等，體現(xiàn)了以能力為導(dǎo)向的工程教育人才培養(yǎng)的目標(biāo)與要求。因此，在專業(yè)認(rèn)證背景下，建設(shè)符合專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的信號與系統(tǒng)課程成為一個新的課題。

2 傳統(tǒng)教學(xué)模式下的信號與系統(tǒng)課程教學(xué)

信號與系統(tǒng)課程以高等數(shù)學(xué)、電路分析為先修課程，有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)背景，課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)需要以微分、積分為工具進(jìn)行理論推導(dǎo)或計算。對于一些數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較薄弱的學(xué)生，學(xué)習(xí)過程中常常因為一些煩瑣的數(shù)學(xué)公式而失去學(xué)習(xí)興趣，從而影響學(xué)習(xí)效果。由于課程內(nèi)容所含公式較多，在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，無論教師采用板書式教學(xué)還是多媒體教學(xué)，展現(xiàn)給學(xué)生的常常是整版的公式，使學(xué)生感到學(xué)的是數(shù)學(xué)而不是信號與系統(tǒng)。另外，由于信號與系統(tǒng)課程的教學(xué)內(nèi)容較多，學(xué)時相對較少，教師要在有限的時間完成教學(xué)任務(wù)，只能向前推進(jìn)教學(xué)進(jìn)度;而隨著課程內(nèi)容學(xué)習(xí)的深入，一些學(xué)生逐漸跟不上教學(xué)進(jìn)度，慢慢失去學(xué)習(xí)的積極性。

目前，已有研究者對信號與系統(tǒng)課程的教學(xué)改革進(jìn)行研究。陳從顏等從課程內(nèi)容、實際應(yīng)用能力培養(yǎng)、教與學(xué)交互性和教學(xué)國際化等幾個方面，對國內(nèi)外信號與系統(tǒng)課程的變化趨勢進(jìn)行了分析，以期對深化信號與系統(tǒng)課程的教學(xué)改革有所幫助[2]。趙琰針對信號與系統(tǒng)課程比較抽象、難以理解的特點，從優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法和增加課外實驗三方面進(jìn)行教改[3]。高志遠(yuǎn)等針對短學(xué)期下的信號與系統(tǒng)課程教學(xué)實際，以理論與實踐結(jié)合為方向，進(jìn)行信號與系統(tǒng)課程教學(xué)改革：重視基本理論與基本概念的講授，淡化計算公式，推進(jìn)課堂翻轉(zhuǎn)，推行聯(lián)合大作業(yè)[4]。

汪莉麗等以實踐能力的培養(yǎng)和提高作為信號與系統(tǒng)課程教學(xué)改革的目標(biāo)，通過優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)、采用驅(qū)動式課堂教學(xué)、計算機(jī)輔助教學(xué)等方式進(jìn)行教學(xué)改革，取得較好的效果[5]。

本文在專業(yè)認(rèn)證背景下，將雨課堂作為教學(xué)手段，以“CDIO工程教育理念”和“以學(xué)生為中心”為教育理念進(jìn)行教學(xué)改革嘗試。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）、運(yùn)作（Operate）。CDIO模式以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)[6]。本文根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)以及信號與系統(tǒng)課程的地位和作用，明確了課程的教學(xué)目標(biāo)，精心選取教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建CDIO項目，引入雨課堂新技術(shù)，建立符合工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)模式和課程考核評價體系。

3 工程教育背景下信號與系統(tǒng)教學(xué)的改革措施

明確課程教學(xué)目標(biāo)，精選授課內(nèi)容? 信號與系統(tǒng)是電子、電氣、計算機(jī)以及醫(yī)學(xué)類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程的學(xué)習(xí)為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)起鋪墊作用。同時，該課程的學(xué)習(xí)能激發(fā)學(xué)生對其專業(yè)領(lǐng)域知識的學(xué)習(xí)興趣，初步培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的能力;培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、研究能力，為畢業(yè)目標(biāo)的達(dá)成打下基礎(chǔ)。

在理論授課內(nèi)容的選取方面，以北京交通大學(xué)陳后金教授主編的《信號與系統(tǒng)》為教材，同時將美國奧本海姆教授編寫的Signal and System作為參考教材，重點講授三大變換和兩大系統(tǒng)：三大變換指的是傅立葉變換、拉普拉斯變換和Z變換;兩大系統(tǒng)指的是連續(xù)時間系統(tǒng)和離散時間系統(tǒng)。對于三大變換，要求學(xué)生已知時域信號，能夠利用性質(zhì)熟練求解變換域的信號;或者已知變換域的信號，能夠熟練求解時域信號。對于兩大系統(tǒng)，要求學(xué)生能夠熟練求解系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)、零輸入響應(yīng)以及零狀態(tài)響應(yīng)。上述內(nèi)容是信號與系統(tǒng)整個課程的核心內(nèi)容。

構(gòu)建CDIO課程項目，培養(yǎng)學(xué)生CDIO能力? 首先，根據(jù)信號與系統(tǒng)教學(xué)大綱構(gòu)建出六個CDIO項目，以項目為主線，在48個課時中完成教學(xué);然后，明確項目訓(xùn)練的知識、能力和素質(zhì)目標(biāo)，由班級學(xué)生自愿組成小組，每組4～6人，設(shè)組長一名，負(fù)責(zé)項目任務(wù)的分配、協(xié)調(diào)工作;最后，分別按照項目的設(shè)計、實現(xiàn)、運(yùn)作等階段進(jìn)行。課堂上隨機(jī)選取2～3組學(xué)生進(jìn)行展示，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

以“采樣定理”項目為例，學(xué)生復(fù)習(xí)所學(xué)知識，查閱相關(guān)資料，設(shè)計項目的方案。用Cool Edit軟件采集一段語音信號或者音樂信號，將其讀入MATLAB，利用MATLAB編程實現(xiàn)項目內(nèi)容，展示項目內(nèi)容。學(xué)生可展示幾種不同的采樣頻率條件下的聲音信號，采樣頻率分別為低于信號最高頻率的兩倍、等于信號最高頻率的兩倍、高于信號最高頻率的兩倍，讓學(xué)生通過感受不同采樣頻率條件下聲音的質(zhì)量來深刻理解采樣定理的內(nèi)容。另外，在項目中引導(dǎo)學(xué)生思考如何確定信號的最高頻率？學(xué)生可以設(shè)置不同的采樣頻率，利用傅立葉變換對信號的頻譜進(jìn)行分析，從而估計出信號的最高頻率。通過CDIO項目可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題以及團(tuán)隊合作能力，同時讓學(xué)生體會一個項目構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運(yùn)作的過程。

引入雨課堂技術(shù)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣? 雨課堂是在互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)背景下，由學(xué)堂在線與清華大學(xué)在線教育共同研發(fā)、推廣的智慧教學(xué)工具[7-8]，其目的是將前沿的教學(xué)理念與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合，全面提升課堂教學(xué)體驗。雨課堂具有簡單易用、互動性強(qiáng)的特點，只要有PowerPoint和微信即可進(jìn)行教學(xué)活動，教師和學(xué)生不需要花費(fèi)很多時間來學(xué)習(xí)操作過程。

課前教師在雨課堂中發(fā)布預(yù)習(xí)課件或者預(yù)習(xí)視頻，可以對PPT配以語音講解，同時在每一個知識點后加入練習(xí)題，便于學(xué)生現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用，加深對知識點的理解。教師要求學(xué)生在限定的時間以前預(yù)習(xí)完畢，學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中遇到問題可以在預(yù)習(xí)資料上標(biāo)記，也可以在雨課堂中給教師留言，教師看到留言后及時回復(fù)學(xué)生的疑問。教師可以看到學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中的答題結(jié)果，并根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況有針對性地備課。在整個學(xué)習(xí)過程中，教師應(yīng)淡化計算公式的背誦，強(qiáng)調(diào)公式背后的物理概念和工程意義，讓學(xué)生感受到學(xué)信號與系統(tǒng)不只是學(xué)數(shù)學(xué)，更是在學(xué)方法、學(xué)應(yīng)用。

在課堂教學(xué)過程中，教師可以通過手機(jī)端遙控PPT放映，從而將教師的活動空間從講臺擴(kuò)大到整個教室，方便教師和學(xué)生近距離地互動。由于學(xué)生已經(jīng)進(jìn)行了充分的預(yù)習(xí)，因此，課堂講授過程不再是滿堂灌，而是針對學(xué)生預(yù)習(xí)中存在的問題進(jìn)行學(xué)生之間討論、師生之間討論。討論后，教師出題，學(xué)生在手機(jī)端答題，教師可以實時看到答題結(jié)果，對學(xué)生理解不透徹的知識點進(jìn)一步講解、總結(jié)。此外，教師還可以階段性地給出一些綜合討論題，每4～6人一組討論后給出最終解答，小組之間互相批閱，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

課后，教師可以查看整個授課過程中學(xué)生有關(guān)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)對學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)形成過程性評價，根據(jù)班級整體表現(xiàn)及時調(diào)整教學(xué)計劃。學(xué)生可以在雨課堂中看上課的課件，方便復(fù)習(xí)。教師可以通過雨課堂發(fā)布復(fù)習(xí)檢測題以鞏固課堂教學(xué)，同時發(fā)布下次課程的預(yù)習(xí)資料，以便開展下一次的教學(xué)。

在教學(xué)中引入雨課堂技術(shù)，學(xué)生的學(xué)習(xí)時間從原來單一的課堂延伸至課前和課后，充分利用了課余時間，更好地收獲了知識，提高了學(xué)習(xí)積極性。

構(gòu)建過程性評價體系，有效評估學(xué)生學(xué)習(xí)效果? 考核是整個課程學(xué)習(xí)中非常重要的一個環(huán)節(jié)，合理的考核評價體系更能客觀地反映教師教的情況和學(xué)生學(xué)的情況。傳統(tǒng)的課程學(xué)習(xí)綜合測評成績由作業(yè)、平時表現(xiàn)、期中考試成績和期末考試成績幾部分組成，其中期末考試成績占70%，其他幾部分占30%。教學(xué)中引入雨課堂后，更加注重過程性評價，降低期末考試成績在總評中的占比，提高過程性評價在總評中的占比，避免學(xué)生考試之前突擊復(fù)習(xí)、知識掌握不牢固的現(xiàn)象，保證每個學(xué)生在整個授課過程中的持續(xù)性學(xué)習(xí)。與以往相比，改革教學(xué)方法后，學(xué)生課后問的問題不再是概念性的問題，而是有一定深度的問題，學(xué)習(xí)狀態(tài)從以前的“要我學(xué)”變成“我要學(xué)”。通過橫向、縱向比較，學(xué)生的期末卷面成績有明顯提高。

4 結(jié)語

在工程教育背景下引入雨課堂技術(shù)，在CDIO工程教育理念的指導(dǎo)下開展信號與系統(tǒng)教學(xué)改革工作，遵循“以學(xué)生為中心”的思想，形成一整套教學(xué)模式和課程考核體系，取得較好的效果。今后將進(jìn)一步完善教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)方案，為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提供更加豐富的資料，爭取取得更好的教學(xué)效果。

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*項目來源：南通大學(xué)課程教學(xué)改革研究課題（基金編號：2018B35）;南通大學(xué)2018年課程資源建設(shè)項目（基金編號：WK18010）;

江蘇省高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項目（基金編號：PPZY2015B135）。

作者：王俠，南通大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，講師，博士，主要研究方向為語音信號處理;李逶，南通大學(xué)杏林學(xué)院（226019）。